[논문 리뷰] Magnetic field effects in biology from the perspective of the radical pair mechanism

Hadi Zadeh‐Haghighi, Christoph Simon|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 19.

Electromagnetic Fields and Biological Effects인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다양한 생물계에서 약한 외부 자기장 효과를 통합적으로 설명할 수 있는 양자생물학적 메커니즘으로 루디칼 페어 메커니즘을 제안한다. 전자 및 핵 스핀 동역학이 일시적인 루디칼 페어에서 발생하며, 정적, 저자기장, 진동 자기장에 민감하게 반응함으로써 생체 리듬, 신경 발생, 크세논 마취와 같은 생리적 과정에 영향을 미칠 수 있다. 이소토프 효과는 이 메커니즘을 뒷받ány하는 핵심 실험적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

A large and growing body of research shows that weak magnetic fields can significantly influence various biological systems, including plants, animals, and humans. However, the underlying mechanisms behind these phenomena remain elusive. It is remarkable that the magnetic energies implicated in these effects are much smaller than thermal energies. Here we review these observations, of which there are now hundreds, and we suggest that a viable explanation is provided by the radical pair mechanism, which involves the quantum dynamics of the electron and nuclear spins of naturally occurring transient radical molecules. While the radical pair mechanism has been studied in detail in the context of avian magnetoreception, the studies reviewed here show that magnetosensitivity is widespread throughout biology. We review magnetic field effects on various physiological functions, organizing them based on the type of the applied magnetic fields, namely static, hypomagnetic, and oscillating magnetic fields, as well as isotope effects. We then review the radical pair mechanism as a potential unifying model for the described magnetic field effects, and we discuss plausible candidate molecules that might constitute the radical pairs. We review recent studies proposing that the quantum nature of the radical pairs provides promising explanations for xenon anesthesia, lithium effects on hyperactivity, magnetic field and lithium effects on the circadian clock, and hypomagnetic field effects on neurogenesis and microtubule assembly. We conclude by discussing future lines of investigation in this exciting new area of quantum biology related to weak magnetic field effects.

연구 동기 및 목표

• 열 노이즈보다 훨씬 낮은 에너지를 지닌 약한 자기장이 생물계에 영향을 미치는 수백 가지의 실험적 관찰 결과를 종합하고 분석하는 것.
• 루디칼 페어 메커니즘—일시적인 루디칼 페어의 양자 스핀 동역학에 기반한 것—이 이러한 효과에 대한 가장 타당한 설명임을 주장하는 것.
• 조류의 자기감지 기능을 넘어서 뇌, 줄기세포, 산화 스트레스 경로에서의 효과를 설명하기 위해 이 메커니즘을 확장하는 것.
• 이소토프 치환을 통한 실험적 검증을 통해 루디칼 페어 메커니즘의 타당성을 입증하는 데서 역할을 하는 것.
• 생리적 환경에서 자기장 민감성 루디칼 페어를 수용할 수 있는 후보 분자들(예: 크립토크롬, 활성산소종 관련 루디칼 등)을 특정하는 것.

제안 방법

• 정적, 저자기장, 진동 자기장, 이소토프 조작 조건에서의 자기장 효과에 관한 실험 문헌에 대한 체계적 리뷰.
• 제임스, 초화합력, 교환, 디폴라 상호작용을 포함한 양자 스핀 해밀토니안을 사용한 루디칼 페어 내 스핀 동역학의 이론적 모델링.
• 외부 자기장이 루디칼 페어 내 싱글렛-트리플렛 상호변환 비율을 어떻게 변화시켜 반응 수율에 영향을 미치는지 분석하는 것.
• 이소토프 치환(예: 13C, 15N, 2H)을 활용하여 초화합력 상호작용을 탐색하고 생물학적 효과에 대한 루디칼 페어의 관여를 검증하는 것.
• 생체 리듬 교란, 신경 발생, 산화 스트레스에 관한 실험 데이터를 루디칼 페어 예측과 통합하는 것.
• 양자생물학 원리를 적용하여 루디칼 페어 내 양자 공명과 얽힘의 가능성을 생물학적 효과의 매개체로 모델링하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 에너지보다 수십 배 이상 낮은 약한 자기장이 어떻게 측정 가능한 생물학적 효과를 일으킬 수 있는가?
• RQ2 다양한 생물계에서 자기장 민감성의 매개체로 기능하는 루디칼 페어 내 전자 및 핵 스핀 동역학의 역할은 무엇인가?
• RQ3 어떤 내재된 분자(예: 크립토크롬, 반응성 산소종 등)가 자기장 민감성 루디칼 페어를 수용할 수 있는 유력한 후보인가?
• RQ4 이소토프 치환(예: 13C, 15N, 2H)은 생물학에서 루디칼 페어 메커니즘을 검증하기 위한 실험적 프로브로 어떻게 기능하는가?
• RQ5 루디칼 페어 메커니즘은 생체 리듬, 신경 발생, 마이크로튜불 조립, 크세논 마취에 대해 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 자기장 효과는 식물, 동물, 인간을 포함한 다양한 생물계에서 널리 관찰되며, 생체 리듬, 줄기세포 분화, 칼슘 신호전달과 같은 과정에 영향을 미친다.
• 경수핵(예: 1H를 2H로 치환)을 사용한 이소토프 치환 실험에서 생물학적 반응이 변화함을 확인하여, 초화합력 상호작용에 기반한 루디칼 페어 메커니즘이 강력한 실험적 증거를 확보한다.
• 저자기장 노출은 신경줄기세포에서 신경 발생과 마이크로튜불 재조직화를 방해하며, 이는 내재된 루디칼 페어가 골격계 동역학에 기여할 수 있음을 시사한다.
• 크세논 마취는 크세논의 큰 핵 스핀으로 인해 자기장 민감성이 증가하는 스핀 선택적 재결합 억제 메커니즘을 통해 루디칼 페어 메커니즘으로 설명될 수 있다.
• 리튬이 과잉활동과 생체 리듬 조절에 미치는 영향은 크립토크롬 내 루디칼 페어 동역학을 통해 매개될 수 있으며, 자기장이 이러한 효과를 조절할 수 있다.
• 저주파수(예: 1–100 Hz)의 진동 자기장은 활성산소종 농도와 신경 활동을 변화시키며, 루디칼 페어 내 공명 스핀 전이와 일치하는 결과를 보인다.